TERRA:一种含有端粒重复序列的非编码RNA
介绍
过去认为端粒附近的区域没有转录活性。Azzalin等人在《科学》杂志上首次报道，该区域可以转录一种非编码端粒RNA。随后，其他几个研究小组相继证实了这种RNA分子的存在，并观察了其生物学特性和功能。
TERRA的发现及其生物学起源
阿扎林、赖兴巴赫、科廖利等。科学，2007，318(5851): 798-801。
端粒是存在于真核细胞染色体末端，由一定长度的串联重复DNA序列组成的特化结构(人类重复序列为TTAGGG)【这种结构与特定的蛋白质结合(如端粒调控因子TRF1和TRF2等。)在染色体两端形成类似“T环”的“帽子”结构，可以防止染色体退化、染色体之间的融合和重组，进一步保持染色体的完整性和稳定性。端粒具有异染色质特征，该区域没有发现基因表达。此外，端粒序列具有沉默插入亚端粒区的报道基因的特性。因此，端粒区长期以来被认为是转录沉默。Azzalin等人在《科学》杂志上首次报道了端粒和亚端粒区域可以转录一个含有端粒重复序列(UUAGGG)的非编码RNA——(含端粒重复的RNA，Terra)，打破了该区域没有转录特征的观点。
张志军，等.地球的生物发生、转换及其对地球功能的影响[J].FEBS书信，2010年，584(17): 3812-3818。
RNA的转录起始位点位于亚端粒区。分子从端粒区转录到染色体末端，转录产物仅位于细胞核内。两个领先的端粒RNA研究小组已经证实，端粒RNA在哺乳动物的大多数组织中表达。端粒的长度变化很大，从100bp到9kb不等。
Azzalin C M，Lingner J. 《Telomeric repeatcontaining RNA and RNA surveillance factors at mammalian chromosome ends》，2015，25(1): 29-36。
TERRA以端粒的C链为模板，但没有检测到互补链转录，说明端粒转录只是以富含C的端粒链为模板，而富含G的链很快被降解。RNA聚合酶II是参与端粒RNA转录的主要聚合酶。然而，在放线菌素D特异性抑制RNA聚合酶II的活性后，仍然可以在细胞中检测到端粒RNA的表达，这表明其他种类的RNA聚合酶也可能参与端粒RNA的转录。Dejardin等人也证实了端粒附近存在RNA聚合酶I和RNA聚合酶III，为上述推测提供了进一步的证据。同样，Luke发现端粒可以被酵母中的RNA聚合酶II转录。
TERRA的定位
阿扎林、赖兴巴赫、科廖利等。科学，2007，318(5851): 798-801。
在不同的哺乳动物细胞中都检测到了TERRA。Northern印迹和荧光原位杂交定位于细胞核内，RNA FISH和免疫荧光分析TERRA和端粒蛋白，发现TERRA和端粒共定位。但也发现并非所有的端粒都与TERRA共位，也并非所有的TERRA都位于端粒内。
张立峰，Y，安建宇，等《Telomere functions grounding on TERRA firma[J]. Trends in cell biology》。遗传学，2009，182(3): 685-698。
在未分化的胚胎干细胞中，女性的两条X染色体和男性的X、Y染色体上都可以检测到端粒RNA。然而，胚胎干细胞分化后，端粒RNA的染色体位置发生了显著变化，它只存在于一条女性Xi染色体和一条男性Y染色体上。此外，Marion等人检测到，在成纤维细胞诱导的多能干细胞中，端粒RNA的水平显著增加。这些结果表明，端粒RNA可能在细胞分化和发育中起重要作用，但其机制需要进一步研究。
越来越多的数据表明，信号通路调节着TERRA的定位。研究发现，TERRA的转录后降解主要由细胞内的NMD(无义介导的RNA衰变)机制介导。结果表明，NMD途径中的UPF1、SMG1和EST1A/SMG6是参与调控端粒RNA降解的主要分子。应用RNAi技术在mRNA水平对上述三种分子进行干扰，将导致细胞内TERRA水平的显著提高。染色体共沉淀实验进一步表明，这些NMD途径的蛋白分子可能直接作用于TERRA。
邓泽，诺尔森J，威德默A，等《Telomeric repeatcontaining RNA and RNA surveillance factors at mammalian chromosome ends》。分子细胞，2009，35(4): 403-413。
发现TERRA聚集在TER2上以促进异染色质形成并将ORC募集到端粒位置。随着N-末端结构域的缺失，TRF2的TERRA过表达影响TEERA在细胞中形成病灶，但尚不清楚它是否只是TERRA RNA的定位或在细胞中的表达水平。
土地整治
Azzalin C M，Lingner J. 《Telomeric RNAs mark sex chromosomes in stem cells》，2015，25(1): 29-36。
TERRA在细胞周期的G1和G2期表达，但在S期被抑制。TCCF和Rad21促进人类TERRA转录，而DNMT1/3B、SUV39H1、HP1a和TRF2抑制TERRA。在酵母中，Rif1和Rif2总是在所有端粒位置TERRA转录，但Sir蛋白在含有Y’元件的端粒亚类中引起TERRA抑制。Rat1蛋白可以降解酵母中的TERRA。这些复杂的成分与酵母和人类的端粒有关。THO和RNase H抑制TERRA依赖性R-环，但在野生型细胞中只有少数TERRA占据R-环。Rnpa1 (a1)、trf2和其他未知因子促进TERRA和人类端粒之间的关联。人类TERRA和端粒之间的关联由NMD成分UPF1和SMG6调节。在人类细胞中，多聚腺苷酸化TERRA与染色质无关，但非多聚腺苷酸化TERRA与染色质密切相关。
TERRA和R循环
里皮K，卢克B. 《TERRA RNA binding to TRF2 facilitates heterochromatin formation and ORC recruitment at telomeres》。自然结构分子生物学，2015，22(11): 853-858。
TERRA可以通过形成R环对端粒进行顺式作用。通过募集TERRA作用因子或通过杂交可以诱导端粒活性形成R-环结构。在富集的DNA链上形成的G四聚体(G四链体)可以稳定R环结构。RNA-DNA杂交和G四聚体诱导复制应激，其可以促进HDR(同源修复)或端粒酶募集。RNA-DNA杂交体可以通过RNA H调节TERRA的降解；或者用一个因子代替TERRA。ATRX解旋酶、NMD、HMGA1、HMGB1和ZNF691都与端粒中的TERRA相互作用。
TERRA活性和端粒状态
里皮K，卢克B. 《Telomere functions grounding on TERRA firma[J]. Trends in cell biology》。自然结构分子生物学，2015，22(11): 853-858。
a)在端粒酶阳性细胞中，正常端粒H3K9m3和TRF2的修饰非常丰富，红色H3.3组蛋白变体通过ATRX掺入。长距离端粒折叠和与其他染色结构域(TPE-OLD)的物理相互作用成为可能。总之，这种机制使得TERRA的表达水平非常低，处于抑制状态。
b)端粒短或端粒受损，TERRA明显上调，相关和可溶的TERRA数量明显增加，可能与TPE-OLD丢失、H3K9me3水平降低、TRF2减少有关。
c)频繁的端粒延长(ALT)与ATRX功能的丧失、H3.3的掺入、H3K9me3水平的降低、对微球菌核酸酶的易感性增加和PML依赖性TRF2的降低有关。ALT的这些特征与更高的TERRA表达和增加端粒的结合有关。
土地和疾病
梅切尔A，卡斯特纳L，卢克B. 《TERRA and the state of the telomere》。RNA生物学，2012，9(6): 843-849。
端粒作为染色体末端结构，可以防止染色体降解、染色体融合和重组，从而维持基因组的完整性和稳定性。结果表明，长度缩短引起的端粒功能异常可导致细胞周期停滞和凋亡。当DNA损伤检测点功能受损时，关键的端粒缩短会引起染色体断裂-融合-重连，导致染色体不稳定，从而促进肿瘤的发生。此外，端粒缺陷细胞往往具有降低的DNA修复能力和复杂的细胞遗传学异常。迄今为止，大量研究证实，端粒长度的缩短与多种恶性肿瘤的发生发展密切相关，如乳腺癌、前列腺癌、肺癌、膀胱癌等。
如上图所示，端粒酶是一种特定的逆转录酶，在多次细胞分裂后保持端粒长度。大多数体细胞端粒酶低表达无法弥补末端复制的问题，导致每次细胞分裂后端粒缩短。关键是缩短的端粒不能维持保护状态，激活检测点反应，导致细胞永久老化。在没有检测点反应(如p53)的情况下，重要的短端粒上继续出现细胞分裂，最终导致基因组不稳定。疾病往往与端粒短有关，最终导致干细胞减少、组织变性、先天性角化病(DC)、特发性肺纤维化(IPF)和“免疫缺陷、着丝粒不稳定和面部异常综合征”(免疫缺陷、着丝粒区域不稳定、面部、异常、ICF)。减少患者体内的TERRA转录，可以在一定程度上维持端粒酶的长度，缓解端粒功能障碍导致的部分衰老。缺少功能检测点的短端粒会导致致癌的基因组重排(转座)，从而通过端粒酶的重新激活使端粒稳定。TERRA水平升高和端粒酶抑制共同导致端粒缩短，最终导致重排基因组的继续增殖。
TERRA和外来体
王志，邓志，N，等。美国国家科学院院刊，2015，112(46): E6293-E6300。
《TERRA and the state of the telomere》，2015报道在细胞外成分中发现了TERRA，TERRA刺激内源性免疫信号。通过RNA原位杂交，在小鼠肿瘤和胚胎脑组织以及人组织培养细胞中形成了细胞外形式的TERRA。
RNA-seq分析显示，在来自正常人和癌症患者血浆的细胞外成分中，TERRA是最高表达的转录物之一。游离terra (cf terra)可以从人淋巴母细胞样细胞系的培养基中的外来体部分中分离。CfTERRA是一个较短的，约200nt的TERRA，通过电镜可以与CD63和CD83阳性的外泌体小泡一起纯化。
在细胞外芯片分析中，可以富集与TERRA Hong Kong相关的组蛋白。将含cfTERRA的外来体与外周血单核细胞孵育可以刺激炎症因子的转录，包括TNF、IL6和C-X-C趋化因子10 (CXCL10)。由TERRA或合成的TERRA脂质体上调的外泌体可以刺激炎症因子，这表明与外泌体相关的TERRA增强了先天免疫信号。这些发现表明，TERRA具有以前未鉴定的外源功能，并且TERRA是组织和肿瘤微环境中端粒与先天免疫信号之间的沟通机制。
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